內(nèi)河LNG燃料動力船舶機(jī)艙形式對比與選擇

陳文柱++李志勇

摘 要：三種類型的LNG動力機(jī)艙，因規(guī)范要求和船舶用途不同，所適用的船型也不同，就新建內(nèi)河貨船來講，本質(zhì)安全型機(jī)艙更加適合。而ESD防護(hù)式機(jī)艙更適合對電力需求較大的船舶，增強(qiáng)安全型機(jī)艙則更適合于進(jìn)行LNG動力改造的船舶。

關(guān)鍵詞：LNG燃料 動力系統(tǒng) 船舶安全

前言

LNG（Liquefied Natural Gas 液化天然氣）作為一種清潔、高效的能源，越來越受到青睞，供應(yīng)量以每年12%的速度增長。在船舶行業(yè)，許多船東也正在使用或計(jì)劃使用LNG燃料作為船舶動力。

LNG動力在船舶行業(yè)，可運(yùn)用的范圍非常廣泛，根據(jù)《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》），除了客船和危險(xiǎn)品運(yùn)輸船外，均可使用。但LNG經(jīng)過氣化后，是一種可燃?xì)怏w，當(dāng)達(dá)到一定濃度范圍，就存在爆炸的危險(xiǎn)，因此LNG燃料動力船舶的機(jī)艙安全性尤為重要。為使LNG危害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)和影響降至最低，《規(guī)范》提供了三種機(jī)艙布置的形式，分別是“本質(zhì)安全型”、“ESD防護(hù)式”、“增強(qiáng)安全型”。

鑒于內(nèi)河貨船的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，LNG氣罐一般會被布置在開敞甲板處，LNG在經(jīng)過氣化后，經(jīng)由氣體管路輸送至機(jī)艙，然后進(jìn)入氣體燃料發(fā)動機(jī)內(nèi)部。本文針對這種供氣方式的內(nèi)河貨船，就上述三種機(jī)艙布置形式的對比與選擇展開討論。

規(guī)范允許的機(jī)艙形式

本質(zhì)安全型機(jī)艙：其布置使機(jī)艙在任何情況下（正常和異常情況）均處于氣體安全狀態(tài)。

ESD防護(hù)式機(jī)艙：其布置使機(jī)艙在正常情況下處于氣體安全狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)氣體燃料泄露等異常情況時(shí)，非防爆設(shè)備和機(jī)械自動關(guān)閉，防爆設(shè)備和機(jī)械運(yùn)行。

增強(qiáng)安全型機(jī)艙：通過加強(qiáng)機(jī)艙通風(fēng)、增加可燃?xì)怏w探測覆蓋、提高機(jī)艙內(nèi)供氣管路焊接要求等措施增強(qiáng)安全水平。

規(guī)范對三種機(jī)艙布置形式的要求

雙壁管：系指有內(nèi)管和外管組成的，主要用于向氣體燃料發(fā)動機(jī)供氣的管路。內(nèi)管之間充滿壓力高于氣體燃料壓力的惰性氣體或按規(guī)范有關(guān)要求進(jìn)行通風(fēng)。

三種機(jī)艙布置形式的特點(diǎn)和選擇

1、本質(zhì)安全型機(jī)艙

本質(zhì)安全型機(jī)艙可采用氣體燃料發(fā)動機(jī)或雙燃料發(fā)動機(jī)，機(jī)艙內(nèi)的氣體管路（包括閥件控制單元）采用雙壁管或通風(fēng)導(dǎo)管進(jìn)行氣密環(huán)圍，當(dāng)雙壁管（或通風(fēng)導(dǎo)管）內(nèi)發(fā)生氣體泄露時(shí)，內(nèi)外管之間自動沖灌氮?dú)猓源吮ＷC機(jī)艙始終處于氣體安全狀態(tài)。

相對于其他形式的機(jī)艙，其優(yōu)缺點(diǎn)是：通風(fēng)排量小，無需設(shè)置大排量防爆風(fēng)機(jī)；可以接受較大供氣管路壓力，發(fā)動機(jī)選擇有優(yōu)勢；機(jī)艙為本質(zhì)安全，內(nèi)部電氣設(shè)備可不必為防爆型；雙壁管（或通風(fēng)導(dǎo)管）的安裝工藝復(fù)雜。對于新建貨船，在設(shè)計(jì)時(shí)有一定的靈活性，采用本質(zhì)安全型機(jī)艙則是一個(gè)合適的選擇。

2、 ESD防護(hù)式機(jī)艙

ESD防護(hù)式機(jī)艙可采用氣體燃料發(fā)動機(jī)或雙燃料發(fā)動機(jī)，機(jī)艙內(nèi)的氣體管路可不設(shè)氣密環(huán)圍，發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)布置在2間或多間機(jī)艙內(nèi)，當(dāng)任何一間機(jī)艙內(nèi)的燃料供應(yīng)被切斷時(shí)，其余機(jī)艙維持至少40%的推進(jìn)功率和電力供應(yīng)。機(jī)艙內(nèi)盡可能少的容納僅為維持發(fā)動機(jī)正常工作的設(shè)備，焚燒爐、惰性氣體發(fā)生器和燃油鍋爐等不應(yīng)布置在機(jī)艙內(nèi)。

相對于其他形式的機(jī)艙，其優(yōu)缺點(diǎn)是：“雙/多機(jī)艙、容納設(shè)備少”的布置適合電力推進(jìn)的內(nèi)河貨船；“雙/多機(jī)艙”的設(shè)置增加了船舶布置的設(shè)計(jì)難度和建造成本。鑒于對機(jī)艙布置的要求，ESD防護(hù)式更加適合于采用電能為動力的船舶，但在由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程中，增大了能源的消耗，因此，相對貨船來講，ESD防護(hù)式機(jī)艙更加適用于對電能需求較大的船舶，如絞吸式挖泥船等類似的工程船。

3、增強(qiáng)安全型機(jī)艙

增強(qiáng)安全性機(jī)艙僅適用于采用雙燃料發(fā)動機(jī)的內(nèi)河貨船，機(jī)艙內(nèi)的供氣管路可不必設(shè)氣密環(huán)圍，但接頭處必須采用對接、全焊透的形式。除風(fēng)機(jī)、探測器、報(bào)警器、照明裝置應(yīng)為防爆型外，其他設(shè)備可與普通貨船機(jī)艙的安全要求一致。當(dāng)探測到氣體泄露時(shí)，發(fā)動機(jī)自動切換至燃油模式。相對于其他形式的機(jī)艙，其優(yōu)缺點(diǎn)是：機(jī)艙構(gòu)造與普通貨船相類似，制造工藝相對簡單、方便，易于被船東接受；大部分機(jī)艙設(shè)備不必采用防爆型，降低了設(shè)備安裝難度；通風(fēng)配量大，需配置大排量防爆風(fēng)機(jī)；僅適用于采用雙燃料發(fā)動機(jī)的內(nèi)河貨船，有一定的局限性。

隨著LNG在船舶行業(yè)的推廣，其清潔、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)將更加突出，將會有更多的船東加入到使用LNG的行列，而增強(qiáng)安全型機(jī)艙的設(shè)備布置與普通貨船更接近，采用這種設(shè)計(jì)進(jìn)行雙燃料改造，會更方便、快捷。

新建內(nèi)河貨船的本質(zhì)安全型機(jī)艙布置方案

1、方案船舶主要信息

方案船為航行于A、B航區(qū)的內(nèi)河鋼質(zhì)自航散貨船，艏艉為單底、單甲板結(jié)構(gòu)，設(shè)有升高甲板，貨艙區(qū)域?yàn)殡p底、雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)裝載運(yùn)輸積載因數(shù)介于0.45-0.833m3/t（不包含0.45）的貨物，如黃砂、干濕礫石等散裝貨物及其他袋裝、包裝貨物。

2、 氣罐布置

氣罐可布置于開敞甲板，也可布置于圍壁/半圍壁處所內(nèi)，對于內(nèi)河貨船來說，布置于開敞甲板有以下幾方面的原因：內(nèi)河貨船定員少，甲板室艙室簡單，可以提供足夠的空間布置氣罐；內(nèi)河貨船大多采用尾排氣，不會對氣罐的充裝、放泄產(chǎn)生影響；不必設(shè)置專用的氣罐儲存艙室和配套設(shè)備，節(jié)省了建造成本；節(jié)省干舷甲板下的空間，可有效增大貨艙艙容；相對于布置于圍壁/半圍壁處所，建造工藝簡單。對于方案船，氣罐布置于尾部頂棚甲板（二層甲板），節(jié)省主甲板面積，同時(shí)也不妨礙駕駛室向后的視線。

3、機(jī)艙布置

內(nèi)河船舶機(jī)艙的布置應(yīng)根據(jù)其船舶特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，方案船采用以下形式：推進(jìn)方式：內(nèi)河船航道相對較窄，船舶密度大，靠港也比較頻繁，因此操縱性要求較高，大多數(shù)內(nèi)河船采用雙機(jī)形式；燃油艙設(shè)置：目前長江沿岸的加氣站數(shù)量和分布還不完善，部分加氣站仍采用槽車加氣，純氣體機(jī)的使用還存在一定限制，因多數(shù)LNG動力船舶采用油氣混燃模式，機(jī)艙仍設(shè)置常規(guī)燃油艙；結(jié)構(gòu)布置：大型內(nèi)河船舶機(jī)艙多數(shù)采用雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)形式以提供防碰安全型和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

本方案船機(jī)艙亦采用上述比較普遍的形式。

4、機(jī)艙內(nèi)供氣管系及雙壁管通風(fēng)管系

供氣管路的通風(fēng)進(jìn)氣口和出氣口均位于居住甲板后部的開敞處所，盡可能的減小對甲板室起居服務(wù)處所的影響，同時(shí)也便于通風(fēng)設(shè)備的安裝。

為了便于對雙壁管內(nèi)的可燃?xì)怏w進(jìn)行探測，出氣口位于進(jìn)氣管路一側(cè)，對于進(jìn)氣管路，雙壁管外管延伸至主甲板上一層甲板（居住甲板后部開敞處所），并連接至風(fēng)機(jī)。雙壁管外管還可做適當(dāng)?shù)暮喕哼M(jìn)氣管路在主機(jī)之前的部分可為一根管路，在進(jìn)入主機(jī)前一份為二，出氣管路在機(jī)艙外可合二為一，并可與內(nèi)管分離。

總結(jié)

1、LNG動力船舶機(jī)艙形式選擇

因規(guī)范要求和船舶用途不同，根據(jù)上述分析，三種類型的LNG動力機(jī)艙所適用的船型也不同，其中：本質(zhì)安全型機(jī)艙：適用于各類常規(guī)推進(jìn)方式貨船，如：散貨船、集裝箱船等。上述方案也說明了其可行性。ESD防護(hù)式機(jī)艙：適用于對電力需求較大的船舶，LNG燃料發(fā)動機(jī)可作為船舶電站的原動機(jī)，如：電力推進(jìn)船舶、部分電力驅(qū)動的工程船等。增強(qiáng)安全型機(jī)艙：適用于現(xiàn)有的，需進(jìn)行LNG動力改造的船舶。

2、LNG動力船舶推廣建議

LNG作為一種清潔能源在環(huán)境保護(hù)上的作用有目共睹，雖然目前LNG動力船舶的規(guī)范、法規(guī)、政策都已比較完善，但新建的LNG動力船舶數(shù)量卻很少，根據(jù)皖江地區(qū)的情況，建議：繼續(xù)加大對LNG動力主機(jī)的研發(fā)，提高低負(fù)荷工況（50%額定功率）下的運(yùn)行穩(wěn)定性和燃料消耗并擴(kuò)展功率段覆蓋范圍；繼續(xù)對于新建LNG船舶進(jìn)行資金補(bǔ)貼，補(bǔ)貼方式由新建船一次性補(bǔ)貼變更為LNG的價(jià)格補(bǔ)貼。

（第一作者單位：蕪湖四維船舶技術(shù)有限公司

第二作者單位：安徽省皖江船舶檢驗(yàn)局）endprint